微波辐射计在一次强对流天气过程中的运用

微波辐射计在一次强对流天气过程中的运用

侯思远

民航温州空管站 325024

摘要：本文利用地基多通道微波辐射计反演计算的大气对流参数对温州机场2021年6月18日下午的强对流伴飑天气过程的大气状态进行了分析。结果表明：强对流发生前，副高外围下沉增温作用，中层以上干侵入为此次强对流提供了较好的抬升条件。通过微波辐射计的观测数据计算分析了对流有效位能(CAPE)和综合水汽含量（IWV）参数，对比各参数在强对流天气过程发生前后的变化特征，其中对流有效位能的累积已经达到了强雷暴发生的标准，综合水汽含量的增长在强降水发生前30分钟左右有较好的指示作用。

关键词：微波辐射计 强对流天气 飑 对流有效位能 综合水汽含量

1 引言

在强对流天气区中飞行，除了云中飞行的一般困难外，还会遇到强烈的颠簸、积冰、雷击、阵雨、风切变和龙卷。而依据《民用航空气象地面观测规范》中对飑的定义：“突然发生的持续时间短促的强风。常伴随雷雨出现。出现时常伴有风向突变、气温剧降、气压急升等现象”。因此可见，强对流天气和飑都十分剧烈，可能会对飞行造成无法估量的重大后果，尽管现代民用航空器的安全性能已有了很高的保障，但作为航空器起飞、降落的航站范围内的预报准确与否仍然直接影响到航空安全生产。

强对流天气发生发展过程中常常通过一些强对流参数进行分析，目前获取对流参数常用的手段是通过无线电探空获取大气温湿度等垂直分布参数进行计算得到的，但是现有探空每天仅有两次探空无法提供实时连续的大气状态垂直分布数据用来分析大气层结，难以对强对流天气过程进行监测和预报。

实践证明，只有通过大气遥感探测才是最经济、最快捷、实现连续监测大气状态变化的最佳途径^[1]。微波辐射计是一款被动式地基微波遥感设备，能够实时探测反演大气温度、湿度廓线，能全天候、全天时工作^[2-3]。

2 资料和方法

本文采用我国自主研制的MWP967KV型地基多通道微波辐射计进行大气状态参数遥感探测。微波辐射计是用于地表上空大气状态连续监测的精密探测仪器，系统通过被动接收大气在K频段（22-30GHz）和V频段（51-59GHz）的大气微波辐射亮温。通过神经网络算法来反演大气高时空分辨率的温度、相对湿度和水汽密度等大气状态参数^[4]。温州机场在2021年5月引进投用了该套微波辐射计，本文中所涉及的参数均出自此套设备。

温州机场2021年6月18日发生了一次强对流天气过程，当天共发生两次雷暴天气过程，其中一次还伴随了飑天气，两次过程共持续了3小时21分，过程降水量达到了29.2mm。其中第一次雷暴过程，雷暴云团始于温州机场西北方向，16:02机场闻雷，16:30左右雷暴云团覆盖机场，16:42-16:59出现西北大风，达到了飑天气的标准，16:43-17:03雷暴伴大雨，17:46雷暴结束。第二次雷暴天气开始于18:35，同时伴有中雨，19:18中雨结束，20:33雷暴结束。

3 天气过程分析

3.1 环流场分析

6月18日08时，北方冷涡后部的西北气流控制了东北至华北一带地区，500hPa本场位于副高588线北侧边缘，受脊前的西北气流影响；700hpa上高空槽线更加明显，槽线由华北平原向西延伸至西南地区，华东中北部为槽前的偏西气流控制，本场为弱高压脊前的西北偏西气流，但相对湿度条件较为一般；850hPa与700hPa形势类似，相对湿度条件稍好，槽线位置也与700hPa基本相同，西南地区的低涡发展较之也更加明显；地面天气图上，东北冷涡后部的冷空气沿着我国的海岸线向南渗透，前沿已扩散至浙江中北部地区，华南地区为海上副高外围的西南气流影响，不断地有来自海上的水汽向北输送，此时锋面位于浙江中北部。根据数值预报产品分析，18日14时，500hPa上北方冷涡的后部的西北气流向南扩散， 表征副高位置的588线略微向南移动，副高略有减弱，副高的减弱使得对流层中层的幅散也随之减弱，对流的抑制作用同时减弱；700hPa弱高压脊向东移动，逐渐控制了本场，并有弱冷平流向南扩散，同时伴有风速12m/s以上的急流，中层的弱冷空气侵入不仅有利于强对流的发展，同时也利于形成下击暴流，在地面造成大风；850hPa上华北平原的槽线，相比于08时槽线的东段明显地向南移动，本场恰好处于东部沿海的浅槽之中；地面图上，锋面已明显南压至温州地区，且锋面已有所加强，锋面呈东西走向，地面动力抬升触发条件较好。

3.2 微波辐射计数据分析

（1）有效位能演变特征

对流有效位能CAPE表征大气稳定度，反映不稳定潜势能量的大小，数值越大代表对流月容易发展。分析温州机场6月18日CAPE值随时间演变特征（图1），自上午08时以来CAPE值一直维持在较高的区间，在15时左右，达到了日内的峰值2669.9J/kg（其余时间段省略），此后略有下降。到第一次雷暴发生时，由于此时温州机场天气为闻雷，从雷达产品也可以看出（图略），雷暴云团距离机场尚有一段距离，所以CAPE值虽略有减小，但是变化幅度不大。当雷暴云团覆盖本场后，CAPE值急剧下降，在雷暴云团移出本场后，CAPE值降到了日内的最低值391.0J/kg，此时不稳定能量对于夏季来说，已处于较低的水平，大气中的不稳定能量得到充分地释放。

第二次雷暴发生前，CAPE值有一次明显地增加，虽然幅度不大，但变化趋势十分明显，在第二次雷暴开始后，CAPE值并没有出现第一次雷暴过程中急剧下降的情况，基本维持在一个较低的水平，在雷暴的后期才开始缓慢下降，与第一次雷暴过程相比，变化不明显。这是由于在第一次雷暴发生后，CAPE值本身已处于较低的水平，此后的回升仅是恢复到日常的水准，这一点可以从地面气温的变化看出，受飑天气的影响，地面气温断崖式下跌，在20分钟不到的时间内，降温达到了5℃，此后又开始缓慢回升，CAPE值在雷暴结束之后也开始缓慢回升，与地面气温的走势相一致，大气中蕴含的能量得到恢复。第二雷暴开始前，地面气温受日变化的影响略有下降，但CAPE值未受到影响，雷暴开始后，CAPE值的变化也较稳定，推测是与第二雷暴的强度相关联，温州机场的闪电定位仪在第一次雷暴中，共测得了487次闪电，在第二次雷暴中测得了253次闪电，第二次雷暴在持续时间更长的情况下，雷闪次数更少，相对更弱，大气中的不稳定能量没有得到充分释放，释放的CAPE值小于大气中新增的能量，所以CAPE值在雷雨发生时，变化趋势不明显。

图1.6月18日温州机场地面气温和微波辐射计CAPE变化

（2）综合水汽含量演变特征

大气中充足的水汽含量是对流发生的必要条件，同时本次天气过程中发生的强降水也需要大量的水汽聚集，综合水汽含量(IWV)表示单位面积上整层大气的水汽质量，直观反映大气中水汽状态。第一次雷暴开始后，由于雷暴云团主体未到达机场，天气仅为闻雷，未发生降水，但在强降水发生前30分钟左右，IWV发生了一次明显的跃升，降水发生之后，IWV迅速下降，在第一次强降水结束之后再次显著回升，而在16:43-17:43一小时累计降水量超过20毫米，达到了短时强降水的标准。第一次强降水结束后，第二次强降水开始前30分钟左右，IWV再次跃升，并达到了69.95kg/m²的当日内最高值，在第二次降水过程开始后，IWV又再次迅速下跌，接近于上一次过程中的最低值。在此次过程中，微波辐射计的综合水汽含量指数提前30分钟增长，对强降水的预报有一定指示作用，且使用的神经网络训练回归反演的综合水汽指数并未明显地受到强降水和环境因素等的干扰，较为真实地反演了大气状态。IWV值在降水前后的变化，与冼星河、蔡奕萍等人的研究有一致处^[5-6]，也有不同处；神经网络训练回归的反演方法有较好的稳定性，能剔除异常值，验证了朱磊等人的研究^[7]。但此项参数在温州地区对强降水的指示意义还需要更多地的实例来分析验证。

图2.6月18日温州机场小时降水量和微波辐射计IWV变化

4. 结论

（1）副高外围的下沉增温作用，中层的弱冷空气侵入不仅有利于强对流的发展，同时也利于形成下击暴流，在地面造成大风，同时地面锋面的南压，提供了较好的动力触发条件。

（2）午后对流有效位能（CAPE）达到了2669.9J/kg，已经达到了强雷暴天气的标准，在雷暴发生前后的变化也较好地反映了大气的能量状态。

（3）微波辐射计的综合水汽含量对强降水有较好的指示作用，提前30分钟的指数增长具有参考性，但也需要更多的案例分析验证。

参考文献：

[1] 郑祚芳，刘红燕，张秀丽．局地强对流天气分析中非常规探测资料应用［J］．气象科技， 2009，37(2) : 243－247．

[2] 刘思波，何文英，刘红燕，陈洪滨． 地基微波辐射计探测大气边界层高度方法［J］． 2015， 26(5) : 626－636．

[3] 杨莲梅，李霞，赵玲，王世杰． MP-3000A型地基微波辐射计探测性能及其在乌鲁木齐降水天气中的初步应用［J］．干旱气象，2013，31(3):570－578．

[4] 卢建平，黄建平，郭学良，于子平，雷连发，张北斗．探测大气温湿廓线的 35 通道微波辐射计设计原理与特点［J］．气象科技，2014，42(2):193－197．

[5] 冼星河，张玮，陈楚梦．新型观测数据在东莞一次大暴雨过程中的综合应用［J］．气象研究与应用,2021,42(2):63-67.

[6] 蔡奕萍，汪博炜，冼星河．微波辐射计资料在降水临近预报中的应用［J］．广东气象，2018，40（5）：35－38．

[7] 朱磊，卢建平，雷连发，张北斗．地基多通道微波辐射计大气廓线反演方法研究［J］．火控雷达技术，2014,43(4):21-25.